Základy a aplikace digitálních. Katedra radioelektroniky (13137), blok B2, místnost 722

Podobné dokumenty
Osnova. Idea ASK/FSK/PSK ASK Amplitudové... Strana 1 z 16. Celá obrazovka. Konec Základy radiotechniky

Digitální modulace. Podpora kvality výuky informačních a telekomunikačních technologií ITTEL CZ.2.17/3.1.00/36206

DSY-4. Analogové a číslicové modulace. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Pulzní (diskrétní) modulace

9. PRINCIPY VÍCENÁSOBNÉHO VYUŽITÍ PŘENOSOVÝCH CEST

Předmět A3B31TES/Př. 13

ZÁKLADY DATOVÝCH KOMUNIKACÍ

Modulační metody, datové měniče telefonní modemy

VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_05_Modulace a Modulátory

ZÁKLADY DATOVÝCH KOMUNIKACÍ

4.2. Modulátory a směšovače

Modulační parametry. Obr.1

íta ové sít baseband narrowband broadband

Techniky kódování signálu KIV/PD

Techniky kódování signálu

Druhy sdělovacích kabelů: kroucené metalické páry, koaxiální, světlovodné

VY_32_INOVACE_E 15 03

Modulace analogových a číslicových signálů

Analogové modulace. Podpora kvality výuky informačních a telekomunikačních technologií ITTEL CZ.2.17/3.1.00/36206

ednáška a telefonní modemy Ing. Bc. Ivan Pravda

Úvod do zpracování signálů

Počítačové sítě. Lekce 5: Základy datových komunikací

Výkon komunik. systémů

1. Základy teorie přenosu informací

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Základní principy přeměny analogového signálu na digitální

Binární data. Číslicový systém. Binární data. Klávesnice Snímače polohy, dotykové displeje, myš Digitalizovaná data odvozená z analogového signálu

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

Přenos signálů v základním pásmu (Base Band).

BMS 0x1 Základy bezdrátové komunikace

A/D převodníky - parametry

Signál v čase a jeho spektrum

Rozprostřené spektrum. Multiplex a mnohonásobný přístup

Modulace 2. Obrázek 1: Model klíčování amplitudovým posuvem v programu MATLAB

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

Amplitudová a frekvenční modulace

Úloha A - Měření vlastností digitální modulace

UNIVERZITA PARDUBICE

Otázka 22(42) Přístroje pro měření signálů, metody pro měření v časové a frekvenční doméně. Přístroje

ednáška a metody digitalizace telefonního signálu Ing. Bc. Ivan Pravda

PSK1-5. Frekvenční modulace. Úvod. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka. Název školy: Vzdělávací oblast:

Komprese dat Obsah. Komprese videa. Radim Farana. Podklady pro výuku. Komprese videa a zvuku. Komprese MPEG. Komprese MP3.

2. GENERÁTORY MĚŘICÍCH SIGNÁLŮ II

Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY a SYSTÉMY

P7: Základy zpracování signálu

Digitální telefonní signály

Oscilátory. Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné)

Lineární a adpativní zpracování dat. 3. Lineární filtrace I: Z-transformace, stabilita

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

25. DIGITÁLNÍ TELEVIZNÍ SIGNÁL A KABELOVÁ TELEVIZE

Technická kybernetika. Obsah. Principy zobrazení, sběru a uchování dat. Měřicí řetězec. Principy zobrazení, sběru a uchování dat

UNIVERZITA PARDUBICE. Fakulta elektrotechniky a informatiky. Analýza vybraných pulzních modulačních metod Patrik Mišenčík

UNIVERZITA PARDUBICE

MĚŘENÍ ÚHLOVÝCH KMITŮ ZA ROTACE

Regenerace digitálního signálu. Jiří Vodrážka

Vlastnosti a modelování aditivního

Rádiové rozhraní GSM fáze 1

Základní principy přenosu dat

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY, ČASOVÉ ŘADY a SYSTÉMY

Fourierova transformace

A7B31ZZS 4. PŘEDNÁŠKA 13. října 2014

Evropský projekt digitální televize DVB a základní principy jeho standardu

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY, ČASOVÉ ŘADY a SYSTÉMY

TESTY K ODBORNÉ PŘIJÍMACÍ ZKOUŠCE MN - KIS

Fyzická vrstva. RNDr. Ing. Vladimir Smotlacha, Ph.D.

Inovace laboratorní úlohy v předmětu Informační systémy

Tel-30 Nabíjení kapacitoru konstantním proudem [V(C1), I(C1)] Start: Transient Tranzientní analýza ukazuje, jaké napětí vytvoří proud 5mA za 4ms na ka


Direct Digital Synthesis (DDS)

Měření vlastností datového kanálu

cca 3dB DVB-T přijímač Testovací vysílač cca 3dB Obr. 1: Blokové schéma

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Komplexní obálka pásmového signálu

Modulace a šum signálu

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Základní komunikační řetězec

Snímání biologických signálů. A6M31LET Lékařská technika Zdeněk Horčík Katedra teorie obvodů

Multimediální systémy

Měřící přístroje a měření veličin

Quantization of acoustic low level signals. David Bursík, Miroslav Lukeš

Přenosová technika 1

Digitální signály a kódy

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

Grafika na počítači. Bc. Veronika Tomsová

A/D převodníky, D/A převodníky, modulace

1. Přednáška: Obecné Inf. + Signály a jejich reprezentace

DRUHY PROVOZU A ŠÍŘENÍ VLN

Chybovost při přenosu digitálního signálu. Jiří Vodrážka

Kapitola 1. Signály a systémy. 1.1 Klasifikace signálů

Počítačové sítě I. 3. Přenos informace Miroslav Spousta,

PB169 Operační systémy a sítě

9. cvičení z Matematické analýzy 2

PRACOVNÍ NÁVRH VYHLÁŠKA. ze dne o způsobu stanovení pokrytí signálem televizního vysílání

Datové přenosy GPRS, EDGE

3. AMPLITUDOVĚ MODULOVANÉ SIGNÁLY

Transkript:

Základy a aplikace digitálních modulací Josef Dobeš Katedra radioelektroniky (13137), blok B2, místnost 722 dobes@fel.cvut.cz 6. října 2014 České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická 1

1 Pulsní modulace 1.1 Pulsní šířková modulace (PWM) Signál je porovnáván s referenčním pilovým průběhem, což vytváří šířku pulsů úměrnou amplitudě signálu. Existuje mnoho podobných možností ukládání informace do tvaru pulsů (do amplitudy: PAM, do fáze: PPM,...). Nejdůležitější z nich je však pulsní kódová modulace (PCM) viz vzorkování a kvantování. 2

1.2 Pulsní kódová modulace (PCM) 1.2.1 Vzorkování a kvantovnání, kvantizační šum x(t) 4 Vzorkované hodnoty Kvantované hodnoty Vzorkovací perioda 3.19 111 3 2.28 110 2 1.37 1 101 0.455 100 0 0.455 011 1 1.37 010 2 2.28 001 3.19 3 000 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 110 110 111 110 011 010 011 100 100 011 010 Posloupnost PCM t Kvantizační hladiny 3

x(t) Vzorkované Uchované po kvantování q(t) Vzorkovací perioda 4 3.19 111 3 2.28 110 2 1.37 1 101 0.455 100 0 0.455 011 1 1.37 010 2 2.28 001 3.19 3 000 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t 110 110 111 110 011 010 011 100 100 011 010 Kvantizační chyba q(t) x(t) Kvantizační hladiny ɛ(t) t 4

1.2.2 Základní vztahy pro kvantizační šum Výkon generovaný kvantizačním šumem (na jednotkovém rezistoru) je určen klasickým vztahem často se vyskytujícím v literatuře σ 2 = q2 12, v kterém q je kvantizační interval viz vznik kvantizačního šumu, kde q = 0.91 V. Výkon generovaný signálem je určen standardním vztahem (peak) V 2 p = L2 q 2 4, kde L je počet kvantizačních intervalů viz vznik kvantizačního šumu, kde L = 7. Podíl těchto dvou veličin určuje poměr signálu a kvantizačního šumu ( ) S = V p 2 N σ = 2 3L2, q tj. odstup šumu se kvadraticky zlepšuje v závislosti na počtu intervalů. 5

2 Nyquistův poměr Vzhledem ke vzorkování, spektra se opakují v souladu se vzorkovacím kmitočtem: Spektra se tedy mohou překrývat, pokud platí f s < 2f m. V takovém případě nemůže být ovšem původní signál rekonstruován. K možnosti rekonstrukce původního signálu musí vzorkovací frekvence splňovat podmínku (Shannon-Kotělnikův teorém) f s 2f m, kde f m je maximální modulační frekvence. 6

3 Idea ASK/FSK/PSK 3.1 Amplitudové kĺıčování (Amplitude Shift Keying) 7

3.2 Frekvenční kĺıčování (Frequency Shift Keying) 8

3.3 Fázové kĺıčování (Phase Shift Keying) 9

4 ASK Amplitudové kĺıčování 4.1 Nízkofrekvenční a vysokofrekvenční spektrum (Délka spektrálních čar je zde ovšem zobrazena pouze informativně.) 10

4.2 OOK (On-Off Keying) a 4-ASK (čtyři stavy) 11

5 Porovnání spekter ASK, PSK a FSK 5.1 OOK (spektrum základního a kĺıčovaného signálu) 5.2 PSK (časová doména a spektrum) 12

Závěry: Základní rozdíl mezi spektry modulací ASK and PSK spočívá v neexistenci spektrální čáry nosné vlny v PSK viz spektra ASK i PSK, Pro signál typu OOK, spektrální čára nosné má menší velikost než spektrální čára první harmonické složky viz odvození stejnosměrné komponenty a první harmonické složky OOK, Sudé harmonické složky (2, 4, 6,...) jsou nulové pro ASK i PSK viz spektra ASK i PSK. 13

Stejnosměrná a první harmonická složka OOK Předpokládejme posloupnost 1, 0, 1, 0,... Pro takový signál je stejnosměrná složka určena vztahem 1 T T 0 f(t) dt = 1 T T 2 0 dt = 1 T T 2 = 1 2. První harmonická složka se vypočítá obdobně (pouze komponenta sinus příslušné Fourierovy řady musí být vypočtena komponenta kosinus je totiž nulová z principu) 2 T 2 T T 0 T 2π f(t) sin 2π T t dt = 2 T [ cos 2π ] T 2 T t 0 T 2 0 = 2 π > 1 2 sin 2π T t dt = a spektrální čára první harmonické složky je tedy větší než stejnosměrná komponenta. 14

5.3 FSK (časová doména a spektrum) 15

6 PSK a QAM 16

Konstelační diagramy Fázi signálu je obvyklé a názorné vyjadřovat pomocí fázorového diagramu známého pod názvem konstelační diagram, v kterém lze každou fázi rozložit do složek kosinus (I, In- Phase) a složek sinus (Q, Quadrature). Modulovaný signál lze pak zapsat obvyklým způsobem f(t) = I cos ω c t + Q sin ω c t, což ukazuje, že je ekvivalentní dvojici signálů DSB o stejné frekvenci nosné vlny, avšak s oběma nosnými vlnami kolmými (tj. fázově posunutými o 90 modulace se proto označuje QAM (Quadrature Amplitude Modulation). 17

7 MSK a GMSK MSK (Minimum Shift Keying) je varianta modulace FSK se spojitou fází. Šířka pásma obecně může být malá pokud kmitočty ω 0 a ω 1 jsou bĺızké, avšak pokud jsou příliš bĺızké, může být těžké rozlišit mezi logickou nulou a logickou jedničkou. Prakticky nejmenší možný rozdíl mezi oběma frekvencemi je, pokud se periody liší o polovinu cyklu pro logickou nulu a jedničku. Pokud periodu odpovídající jednomu symbolu (logické nule nebo logické jedničce) označíme T B, potom musí být splněna podmínka f T B = 1 2, kde f = f 0 f 1. Obecně platí, že pro získání co nejužšího spektra je nutné, aby změny symbolů nenarušily spojitost fáze každá náhlá změna tvaru vlny vytvoří širší spektrum. 18

Nejlepší místo k přepnutí frekvencí je však maximum (nebo minimum) derivace signálů podle času jsou v těchto bodech nulové a tudíž přepínání je hladké (smooth). 19

Fáze může nabývat pouze jedné ze dvou hodnot, a to 0 a π pro t = 2kT b a ±π/2 pro t = (2k + 1)T b (tzv. fázová mřížka): 20

7.1 GMSK Jestliže jsou datové pulsy tvarovány vhodnou filtrací před použitím napět ově řízeného oscilátoru (VCO Voltage Controlled Oscillator), získáme spojitější přechody mezi frekvencemi, což opět redukuje požadavky na šířku pásma. Optimální tvar pulsů je Gaussova funkce a modulace se pak nazývá GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Pokud B G je šířka pásma tvarujícího filtru a T B je šířka pulsu, pak parametr B G T B charakterizuje signál GMSK. Mobilní sítě 2G nebo GSM používají modulaci GMSK charakterizovanou podmínkou B G T B = 0.3. 21

8 π/4 DQPSK Konstelační diagram může být charakterizován jako superpozice dvou konstelačních diagramů navzájem posunutých o 45, takže může nabývat osmi možných fází. Je však nutné zdůraznit, že žádný z možných přechodů neprochází počátkem (... modulace často požívaná v USA). 22

9 Adaptivní modulace a kódování Modulace QAM a QPSK se používají ve standardech bezdrátových technologíı IEEE 802.11 (tj. Wi-Fi), IEEE 802.16 (tj. WiMAX) a 3G (tj. WCDMA/HSDPA). Modulované signály se pak demodulují v přijímači, kde se obnovuje původní zpráva. Užití adaptivních modulací dovoluje optimalizaci bezdrátových technologíı při současném pokrytí velkých vzdáleností (... jednodušší modulace na velké vzdálenosti). 23

10 Modulace OFDM 10.1 Kvalita příjmu v závislosti na vzdálenosti přijímače a vysílače 1 1 ntl:broadcast 24

10.2 Vícecestný příjem 25

10.3 Typické parametry systému 26

10.4 Náhrada kanálu analogového vysílání několika kanály digitálního vysílání 27

10.5 Systém mnoha nosných 2 2 http://www.dspec.org 28

10.6 Modulace 64-QAM použitá na každé nosné (Grayův kód) (Sousední body se liší nejvýše o jeden a tedy právě o jeden bit.) 29

Obsah 1 Pulsní modulace 2 1.1 Pulsní šířková modulace (PWM)............ 2 1.2 Pulsní kódová modulace (PCM)............ 3 1.2.1 Vzorkování a kvantovnání, kvantizační šum.. 3 1.2.2 Základní vztahy pro kvantizační šum..... 5 2 Nyquistův poměr 6 3 Idea ASK/FSK/PSK 7 3.1 Amplitudové kĺıčování (Amplitude Shift Keying)............... 7 3.2 Frekvenční kĺıčování (Frequency Shift Keying)............... 8 3.3 Fázové kĺıčování (Phase Shift Keying).................. 9 4 ASK Amplitudové kĺıčování 10 4.1 Nízkofrekvenční a vysokofrekvenční spektrum..... 10 4.2 OOK (On-Off Keying) a 4-ASK (čtyři stavy)..... 11 30

5 Porovnání spekter ASK, PSK a FSK 12 5.1 OOK (spektrum základního a kĺıčovaného signálu)......................... 12 5.2 PSK (časová doména a spektrum)........... 12 5.3 FSK (časová doména a spektrum)........... 15 6 PSK a QAM 16 7 MSK a GMSK 18 7.1 GMSK......................... 21 8 π/4 DQPSK 22 9 Adaptivní modulace a kódování 23 10 Modulace OFDM 24 10.1 Kvalita příjmu v závislosti na vzdálenosti přijímače a vysílače......................... 24 10.2 Vícecestný příjem................... 25 10.3 Typické parametry systému.............. 26 10.4 Náhrada kanálu analogového vysílání několika kanály digitálního vysílání................... 27 31

10.5 Systém mnoha nosných................ 28 10.6 Modulace 64-QAM použitá na každé nosné (Grayův kód).......................... 29 32